渗透结晶型裂缝自愈合混凝土的抗渗性能及其机理.pdf

2 0 1 0 年 第 8期 (总 第 2 5 0 期 ) Nu mb e r 8 i n 2 0 1 0 ( T o ml No 2 5 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THE 0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 8 0 1 0 渗透结晶型裂缝 自愈合混凝土的抗渗性能及其机理 黄伟 ，王平 ，尹万云 ，陈德鹏 ( 1 安徽工业大学 建筑工程学院，安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 2 ； 2 中国十七冶集团有限公司， 安徽 马鞍山 2 4 3 0 0 0 ) 摘要： 从混凝土组成出发， 通过渗透结晶型裂缝 自 愈合混凝土的抗渗试验 ， 研究了自制 s J 渗透结晶复合材料掺量对混凝土裂缝 自 愈 合性能的影响， 同时开展了渗透结晶型裂缝 自 愈合混凝土的强度试验 、 凝结时间试验以及 s J 渗透结晶复合材料的安定性试验。试验结果 表明： 掺加 s J 渗透结晶复合材料的裂缝 自 愈合混凝土试件抗渗性能得到明显提高， 强度亦有显著改善， 且对水泥体积安定性和混凝土的 凝结时间不构成不利影响。渗透结晶型裂缝 自 愈合混凝土的裂缝自愈合机理主要在于：渗透结晶活性物质遇水催化 c a 2 + 形成结晶体沉 淀， 堵塞混凝土的裂缝而实现裂缝 自愈合。 关键词 ： 混凝土 ；结晶 ；自愈合 ；抗渗 ；机理 中图分 类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) o 8 0 0 2 8 0 3 I mper me a bi l i t y a nd me ch an i s m of c r a c k se l f - he al i ng c onc r e t e b as e d on pe r mea t ed c r y s t al l i ne HUANG W e i ， WANG Pi n g ， YI N W a n - yu n ， CHEN De -pe n g ( 1 S c h o o l o f A r c h i t e c tu r a l a n dCi v i l E n g i n e e r i n g ， An h u i Un i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， Ma a n s h an 2 4 3 0 0 2 ， C h i n a 2 C h i n a MC C1 7Gr o u pC o ， L t d ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 0 0 ， C h i n a ) Abstr a c t ： Ba s e d o n t h e p r e pa r a t i o n o f o n e k i n d o fc e me n t b a s e d p e r me a t e d c r y s t a l l i n e ma t e r i a l n a me d S J a d mi x t ur e Th e e f f e c t o fd o s a g e o fS J o nt h e p e rm e a b i l i tyo f c r a c k s e l f - h e a l i n gc o n c r e t e ( C S HC) wa s i n v e i g a t e dt h r o u g hi mp e r me a b i l i tyt e s t T h e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ， fl e x u r a l s tr e n g t h ， s e t t i n g t i me o f CS HC an d the s o u n d n e s s o f S J a dmixt u r e we r e a l s o e x pe r i me n t e d Th e e x p e ri m e n t a l r e s u l t s s h o w tha t the u s e o f SJ a dm i x t u r e i n c o n c r e t e i mp r o v e s the i mp e r me a b i l i ty o f c o n c r e t e o b v i o u s l y ， and t h e c o mp r e s s i v e and fl e x u r a l s t r e n g t h i S a l s o i mp r o v e d Th e u s e o f S J a dm i x t u r e i n c o n c r e t e wo ul d n o t i n d uc e h a rm f u l e ffe c t on t h e s e t t i n g t i me o f c o n c r e t e an d the s o un dn e s s o f b i n d e r Th e me c h a n i s m o f c r a c k s e l f - h e a l i n g i n c o n c r e t e b y me a n s o f t he u s i n g o f pe n e t r a t e d c rys t a l l i n e ma i n l y l i e s i n that the a c t i v e s u b s t a n c e o f S J a dm i x t u r e c a l l r e a c t wi th Ca 2 +wh e n e n c o u n t e rin g wa t e r a n d f o rm the c r y s tal l i n e p r e c i p i tat e， wh i c h b l o c k s th e c rac k o f th e c o n c r e t e an d thu s a l l o ws th e c r a c k t o r e a l i z e t h e s e l f - h e a l i n g K e y wo r d s ： c o n c r e t e ； c rys tal l i n e ； s e l f - h e a l i n g ； i mp e rm e a b i l i ty； me c h a n i s m 0 引言 混凝土是一种微观多孔的脆性材料， 在水泥与水发生水化 反应形成强度过程中， 水泥石内部及其与骨料的界面过渡区不 可避免地会产生内部孔隙和微缝隙等初始缺陷。混凝土构件在 正常工作状态下， 受荷载或环境温湿度变化等因素影响， 将沿内 部初始缺陷产生微裂缝， 若内部微裂缝与构件表面裂缝贯通， 则 将对构件耐久性乃至安全性构成不利， 从而影响混凝土构件的 服役性能。在实际工程中， 往往建、 构筑物的某些部位如屋面、 地 下室等因功能要求需避免混凝土出现裂缝 ， 为此， 研究人员对混 凝土裂缝控制进行不断地探索，提出了混凝土裂缝自愈合研究 方向。针对如何实现混凝土裂缝的自愈合， 目前国内外最具代表 性的研究有以下 3 种： 美国伊利诺斯大学 C a r o l y n D 】 等提出 的内置纤维胶液管自修复混凝土技术 ， 通过在混凝土内部预埋 注有修复剂的纤维管或是玻璃管 ， 在混凝土受外部影响出现损 伤时， 修复管破裂， 修复剂流出深入裂缝进行修补； 日本三桥 博士口 等提出的内置胶囊自修复混凝土技术 ， 将内含黏结剂的空 心胶囊掺入混凝土材料中， 一旦混凝土在外界作用下发生开裂， 收稿 日期 ：2 0 1 0 - -0 3 - 2 5 基金项目：国家重点施工新技术研发项目( 财企【 2 0 0 9 】 1 6 1 ) 2 8 部分空心胶囊破裂， 黏结液流出渗入裂缝， 使裂缝产生自愈合效 应； 国内陶宝祺 等提出的形状记忆合金智能自修复混凝土技 术， 将形状记忆合金应用于混凝土结构中， 利用形状记忆合金的 记忆效应， 控制并恢复结构构件的变形和挠度， 实现混凝土裂缝 的自修复。虽然上述研究已取得了较大进展， 但仍有许多问题还 需解决和完善， 如修复剂的补给、 空心纤维或胶囊与混凝土材料 搅拌易破裂等问题， 使得以上技术仍处于实验室研究阶段 。 本试验根据渗透结晶原理， 通过在混凝土材料 中加入一种 渗透结晶复合材料实现混凝土裂缝的自修复。文中对内掺自制 S J 渗透结晶型复合材料的混凝土进行了抗渗和相关力学性能 试验 ， 同时进行了体积安定性和凝结时间试验， 在保证内掺 自 制 s J 渗透结晶型复合材料混凝土满足基本性能要求的前提 下， 研究渗透结晶型复合材料对混凝土裂缝的修复作用， 探讨 渗透结晶型 自愈合混凝土材料的自修复机理。 1 试 验 1 1 原材料 水泥： 海螺牌 P O4 2 5 级水泥。 石子： 选用地产石灰石碎石， 粒径 5 2 5 IT II T I 。砂： 地产中砂， 细度模数 2 6 ， 含泥量小于 0 1 。 水： 市政自来水。s J 渗透结晶复合材料： 自制( 以下简称s J 材料) ， 粉末状， 选用 4种络合剂与络合助剂， 采用正交设计优化方案 获得材料基本配合比， 并通过试验优化确定最终配合比。 1 2配合 比 选用 5 种配合比P H B1 5 进行试验， 其中以 S J 材料掺量为0 的P HB 1 为基本配合比，其余4种配合比中S J 材料掺量采用不 同值， 并以 P H B1中水泥含量的百分比表示 ， P H B 2 P HB 5中掺 量分别为 0 5 、 1 0 、 1 5 、 2 0 ， 各配合比中由于 S J 材料的掺 人 。 水泥用量相应减少， 具体见表 1 。 表 1 混凝土配合 比 1 3试验 内容 与 方法 混凝土新材料研究往往要考虑实际工程应用的安全使用 要求、 正常使用要求和施工要求 ， 故对表 1 各配合比除了进行 抗渗性能试验外 ， 还进行了抗压强度、 抗折强度试验和凝结时 间、 安定性试验。 1 3 1 混凝土抗渗性能试验 混凝土试件制作和搅拌按照国标 G B 1 8 4 4 5和GB 8 0 7 6 规 定进行。 试件形状为圆台体， 几何尺寸为顶面直径 1 7 5 r n n l ， 底 面直径 1 8 5 m i l l ， 高度 1 5 0 mm， 每种配合 比均分 3 批成型试件， 试件成型 2 4 h 后拆模 ， 送入标养室养护至 2 8 d龄期。每种配合 比均从 3批试件中的每批任选 2个共 6个试件进行试验， 采用 逐级加压法测定混凝土抗渗压力值， 各配合比试件均做二次抗 渗试验。 一次抗渗试验水压从 0 1 MP a开始 ， 以后每隔 8 h增加 水压O 1 MP a ， 并随时注意观察记录试件端面的渗水情况。 当6 个 试件中有 3个出现渗水现象时即停止试验， 记录数据 ， 以 6个 试件中4个未出现渗水时的压力值作为该试件的一次抗渗压力 值。待一次抗渗数据记录完毕， 继续加压， 直到 6 个试件全部渗 水结束一次抗渗试验。将试件脱模后送入标养室继续养护 2 8 d ， 再进行第二次抗渗试验， 加压测试方法与第一次抗渗试验相同。 1 3 2 混凝土抗压强度 、 抗折强度试验 抗 压试验试 件采用 1 5 0 mmx l 5 0 m mx l 5 0 i i ra立 方体 ， 进 行 7 、 2 8 d抗压强度试 验。 试验过程按照 GB T 5 0 0 8 1 规定进行 。 抗压强度比计算 ： R x 1 0 0 ( 1 ) 式 中： R 一抗压强度 比， ； 一 内掺 s j 材料混凝土抗压强度， MP a ； 一 基准混凝土抗压强度 ， MP a 。 抗折试验试件采用 1 0 0 mmx l 0 0 mmx 4 5 0 mm长方体， 进 行 7 、 2 8 d 抗折强度试验。 试验过程按照 G B T 5 0 0 8 1 规定进行， 抗折强度比计算与抗压强度比计算类同。 I 3 3 凝结时间、 安定性试验 凝结时间试验按照 G B 8 0 7 6规定进行， 测定每种配合比凝 结时间； 安定性试验按照 GB 1 3 4 6规定进行 ， 测定 S J 材料本体 及与水泥拌合物安定性。 2 试验 结果及分析 2 1 s J 材料对混凝土抗渗性能影响 s J 材料对混凝土试件抗渗性能的影响如图 1 所示。 在相同 试验条件下， P HB 2 - P H B 5的一次抗渗压力值相对于 P HB 1有 明显提高， 且随 s J 材料掺量的增加而提高， 其中 P HB 5的增幅 可达 4 0 0 。 这表明 S J 材料可以赋予混凝土较好的抗渗能力， 而且与混凝土内部 s J 材料活性物质含量的增大成正比， 在 S J 材 料作用下可以提高混凝土密实度 ， 有利于对混凝土的自身缺陷 实现自修复。需要注意的是， 当 S J 材料掺量达到一定程度时， 抗渗能力虽有增加但增势趋缓， 故基于复合材料性价比的考虑， 宜将 s J 材料掺量控制在一定范围内。 P HB l P HB2 P HB3 P HB 4 PHB5 图 1 S J 材料对混凝土试件抗渗性能的影响 试件在一次抗渗被水击穿之后， 脱模继续进行标准养护。期 间水分顺着毛细孔及微裂缝的向上渗透 ， 激活了惰性蛰伏的s J 材料活性物质， 生成新的结晶物， 提高了混凝土的二次抗渗压 力值。图中每种配合比的二次抗渗压力值相对于其一次抗渗压 力值均有所降低， 说明 s J 材料在 2 8 d内对混凝土裂缝自修复 还未能达到同龄期对未曾破坏混凝土的修复效果 ， 但可以看出 P H B 2 - P HB 5的二次抗渗压力值均大于 P HB1 的一次抗渗压力 值， 这表明混凝土损伤裂缝经 s J 材料自修复之后 ， 所达到的抗 渗效果已超过基准混凝土的自身抗渗能力。 一 次抗渗压体现了s J 材料对混凝土本身固有毛细孔及微 裂缝的修复能力， 而二次抗渗压则反映了s J 材料赋予混凝土损 伤裂缝 自修复能力的大小。 故通过次和二次抗渗压可以表征 s J 材料对混凝土基体修复和损伤 自修复能力的效果。 2 2 s J 材料对混凝土力学性能影响 图 2 、 3分别是 S J 材料对混凝土抗压和抗折强度的影响。 由图可知。 P HB 2 - P H B 5强度值均高于 P H B1 ， 并随 S J 材料掺量 的增加而提高。表明 s J 材料对混凝土自身初始缺陷的修复起 到了一定的作用 ， 在混凝土成形中， 密实了混凝土基体， 提高了 混凝土 的强度和耐久性 。 1 4 0 】 3 O 丑 1 2 0 5, 1 0 0 90 8 0 PHB l P HB2 PHB3 P HB4 PHB5 图 2 S J材料对混凝土抗压强度的影响 2 3 s l 材料对混凝土凝结时间影响 为分析 s J 材料的加入是否影响混凝土施工，对每种配合 比的凝结时间进行了试验， 试验结果见图 4 。 由图 4可知 ， P H B 2 P H B5凝结时间相对于 P H BI 有不同 程度的升高 ， 但幅度均在国标 G B 8 0 7 6规定范围之内， 表明 S J 2 9 8 6 4 2 O 8 6 4 2 O 1 l l l 1 O O O 0 =、 出 辖 l 琶 1 丑 1 蓍 羹 - P HB 1 PHB2 P HB3 P HB 4 PHB5 图 3 S J材料对混凝土抗折强度 的影响 P HB 1 P HB2 P HB3 P HB 4 P HB5 图 4 S J材料对混凝土凝结时闰的影响 材料的加入不会影响混凝土施工。 2 4 S J 材料安定性 s J 材料本体及与水泥拌合物安定性检测结果见表 2 ， 所有 结果均符合 G B 1 3 4 6相关规定要求， 可见材料的a n z 不会对水 泥安定性产生不利影响。 表 2 安定性检测 结果 注 ： 表 中( c a ) 表示试件沸煮 后试验指针增加 的间距 ； S 1 表示材料 本体 ， S O表示水泥本体 ， S 1 0表示 以 S 1 掺量为标准 的材 料与水泥拌合 物 ； 其余类推 。 3 渗透结晶型裂缝 自愈合混凝土作用机理 水泥水化生成硅酸钙胶凝的同时 ， 产生大量的六方片状 C a ( O H) 。 晶体 ， 同时由于水化硅酸钙的包裹作用， 使得水泥混凝 土中含有部分未水化水泥颗粒和一些具有水化活性的物质 ， 在一定的条件下可继续反应， 形成结晶体沉淀堵塞孔隙与裂缝 ， 实现混凝土裂缝的自愈合。渗透结晶型裂缝自愈合混凝土作用 机理正是基于此理论而建立， 其作用过程可如图 5 所示。 图 5 s J材料自修 复反应机理示意图 S J 材料中的活性物质( 用 s表示) 可与混凝土中的游离 C a 2 + 发生化学反应， 在浓度和压力差共同的作用下， 活性物质以水 为载体在混凝土内部孔隙中渗透， 与混凝土中的游离子交互反 应生成不溶于水的结晶体唧， 结晶体随水在混凝土孔隙中扩散， 遇到活性较高及未水化水泥、 水泥胶体等 ， 活性化学物质就会 被更稳定的 S i 0 3 2 - , AI O 3 3 一 等取代 ， 发生结晶、 络合沉淀反应 ， 形 成更稳定的晶体合成物， 填充混凝土中裂缝和毛细孔隙 ， 而活 性物质则重新成为自由基 ， 继续随水在混凝土内部迁移 ， 上述 过程不断循环 ， 结晶体在混凝土结构孔隙中由疏至密， 使混凝 3O 土内部逐渐形成一个致密的抗渗区域， 大大提高了结构整体的 抗渗能力 。 图 6 ( a ) ( c ) 分别是环扫电镜( Q UA N T A 3 D F E G， 荷兰 F E I 公司)拍摄的 P H B1 、 P H B 3 、 P H B 5试件同龄期 S E M显微照片， 从照片中可以清晰的看出 P HB1 中晶体生长不连续， 晶粒间孔 隙较大； P H B 3中有I t 新的结晶体生成， 密实度显著增加； P H B 5 中随着 s J 材料掺量的增多， 混凝土基体的密实度进一步提高。 ( a ) ( b ) 【 c ) 图 6 试件 S E M 照片 渗透结晶型裂缝自愈合是基于化学反应改善整个混凝土的 防水性能， 不仅使得防水性能容易长期保持， 同时也提高了基体 混凝土的强度和密实性 。混凝土干燥时 ， 由于缺少扩散介质 ， 活 性物质处于休眠状态； 当混凝土开裂有水渗入时， 该物质将会再 度激活， 继续催化发生新的结晶反应， 实现混凝土裂缝的自修复。 4结 论 ( 1 ) S J 渗透结晶修复材料可以显著改善混凝土的性能。其 中混凝土抗渗性能的提高最多可达 4 0 0 ， 抗压强度、 抗折强度 均有明显增加 。 ( 2 ) 内掺 s J 材料混凝土试件的一次抗渗、 抗压及抗折试验 结果表明， s J 材料的应用增加了混凝土的密实性， 可以实现对混 凝土自身缺陷的修复； 二次抗渗研究表明， s J 材料赋予混凝土良 好的裂缝自修复功能， 修复后的混凝土抗渗能力高于其本体， 证 明渗透结晶型混凝土裂缝 自愈合技术是可行的。 ( 3 ) 内掺 S J 材料混凝土试件的凝结时间、 s J 材料本体及与 水泥拌合物的安定性均符合规范规定 ，说明 s J 材料掺加不影 响混凝土基本工作性能。 ( 4 ) 渗透结晶型裂缝自愈合混凝土作用机理主要在于 s J 材 料中所含活性物质遇水起到催化剂的作用， 促使混凝土中游离 C a z + 与涪f生 较高及未水化水泥、 水泥胶体等反应， 生成结晶体沉淀 物填充混凝土中裂缝和毛细孔隙， 从而达到混凝土裂缝的自修复。 参考文献 ： 【 1 】C a r o l y n D r y C o m p o s i t e S t r u c t u r e s J 1 9 9 6 ， 3 5 ( 3 ) ： 2 6 3 2 6 9 【 2 】三桥博三， 等 j、夕lJ 工学年次论文报告集 R 】 2 0 0 2 【 3 】陶宝祺， 等 航空学报 J j 1 9 9 8 ， 1 9 ( 2 ) ： 2 5 0 2 5 2 f4 1 K E S S L E R M R， S OT T OS N R， WHI T E S R P a r t A： a p p l i e d s c i e n c e a n d m a n u f a c t u r i n g J 2 0 0 3 ， 3 4 ( 8 )： 7 4 3 7 5 3 5 】P A T E L A J ， S O T Y O S N R， WE T Z E L E D， e t a 1 P a r t A： a p p l i e d s c i e n c e a n d m a n u f a c t u r i n g Z 】 I n P r e s s ， C o r r e c t e d P r o o f l A v a l i a b l e o n l i n e ， 2 0 0 9 6 】匡亚川， 欧进萍 力学进展 J 2 0 0 6 ， 3 6 ( 3 ) ： 4 0 6 - 4 1 5 7 1 L E A F MT h e c h e mi s t r y o f c e me n t a n d c o n c r e t e M N e w Y o r k ： C h e mi c a l Pu b l i s h i n g Co mp a n y， 1 9 7 1 【 8 】申爱琴 水泥与水泥混凝土 M 】 E 京： 人民交通出版社， 2 0 0 0 【 9 K E C K R HC o n c r e t e I n t e ma t i o n a l 0 2 0 0 1 ， 2 3 ( 9 ) 作者简介 ： 单位地址 ： 联系电话 ： 黄伟( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 副教授， 副院长。 安徽省马鞍山市湖东路 5 9 号 安徽工业大学建工学院 ( 2 4 3 0 0 0 ) 0 5 5 5 - 2 31 l 8 61